溴氯嘧啶的亲核取代

常见化学药物分子中，大多数含有芳杂环结构，如吡啶、嘧啶、呋喃、咪唑等，因此，在合成药物化学领域，常常会遇到涉及芳杂环的化学反应，常见的有芳杂环的构建，芳杂环上的取代反应等。每一种杂环均有其特性，化学反应性不尽相同，需具体问题具体分析。

嘧啶环是化学药物分子中常见的杂环结构，如甲氧苄啶、磺胺甲嘧啶、雷特格韦等，同时，在一些重要的生物活性分子结构中（如核糖核苷酸）都包含有嘧啶环结构单元。本文以2,4(6)-二卤代嘧啶及其衍生物的氨解反应（胺基取代反应）为例，根据书本中的理论知识以及文献实例探讨2-位卤原子与4(6)-位卤原子的反应活性问题。

杂环化学书籍Chemistry of Heterocyclic Compounds. Volume 52. The Pyrimidines第371~372页6.7.2章节Simple Aminolysis of 2- or 4/6-Halogenopyrimidines对此有相关讨论：活性卤代嘧啶的氨解是嘧啶化学中最常用和最重要的反应之一。决定这种选择性的因素有：1、卤素取代基的类型（F, Cl, Br, I），2、卤素取代基的位置，3、嘧啶环上除卤素之外的其他取代基的性质，4、与卤代嘧啶衍生物反应的胺的性质，5、与两种反应物（卤代嘧啶衍生物与胺）有关的空间因素，6、使用的反应条件与介质。在不详述动力学数据的情况下，可能得出下面的结论：1、在所有其他因素相同的条件下，含Cl, Br, I取代基的卤代嘧啶氨解以大约相同的速率进行，而F取代基的卤代嘧啶反应速率要快60~200倍，2、4-位或6-位的卤素取代基的反应速率要比2-位卤素取代基快10倍，3、若嘧啶环上带给电子取代基（如：Me, OMe, NMe2等），氨解的速率将会降低，若嘧啶环上带吸电子取代基（如：CF3, NO2等），氨解的速率将会大大加快，4、在正烷基胺参与的氨解反应中，反应速率不受烷基链长度的影响，如烷基链上有支链，γ-支链不影响氨解速率，但α与β-支链会显著降低反应速率，5、溶剂对氨解速率也有显著的影响。

一般来讲2,4(6)-二卤代嘧啶发生芳香亲核取代反应时，4/6-位卤素取代基活性比2-位强，在一般情况下，2,4(6)-二卤代嘧啶的芳香亲核取代反应得到4(6)-位取代产物，但这并不意味着4/6-位卤素取代基比2-位优先发生反应，反应的区域选择性受反应物分子结构、取代基、外界因素等的影响，需具体情况具体分析。

美国辉瑞全球研发部（Pfizer Global R&D）Daniel T. Richter、John C. Kath、Michael J. Luzzio、Nandell Keene、Martin A. Berliner与Matthew D. Wessel于2013年在Tetrahedron Letters期刊上发表过相关的研究内容: Selective addition of amines to 5-trifluoromethyl-2,4-dichloropyrimidine induced by Lewis acids (DOI: 10.1016/j.tetlet.2013.06.025)，这篇论文以含5-CF3的2,4-二卤代嘧啶作为研究对象，对其氨解反应进行研究，见Figure 1。

起初，作者在对一系列2,4-二氯嘧啶化合物的氨解反应进行研究的时候，发现5-三氟甲基-2,4-二氯嘧啶的一系列氨解反应中，产物是一组比例接近1:1的混合物，分别为2-位取代产物与4-位取代产物，而5-位带其他取代基的2,4-二氯嘧啶的氨解反应得到的产物几乎是4-位取代产物。作者对这一有趣的现象进行研究，希望能找出一种5-三氟甲基-2,4-二氯嘧啶2-位选择性胺取代产物的合成方法，因为原有的方法所得到的产物为比例接近1:1的两种异构体混合物，分离也较为困难，需采用反向制备型HPLC可以进行分离，最终分离产率＜50 %，该方法的实用性受到限制。

研究初期，作者以5-三氟甲基-2,4-二氯嘧啶与4-甲基苯胺的反应作为研究对象，研究温度与溶剂对反应选择性的影响，研究结果表明，温度的调节仅对反应时间产生影响，对选择性无影响，更换各种干燥溶剂（如干燥THF，干燥DCM等）反应选择性同样不发生变化。紧接着，作者又研究了质子酸的影响，因为质子酸（如HCl，AcOH）可以将嘧啶环上N原子质子化，这将可能改变底物5-三氟甲基-2,4-二氯嘧啶的反应性，但实验发现，底物5-三氟甲基-2,4-二氯嘧啶质子化后，在各溶剂中的溶解度下降，最终使得氨解反应缓慢甚至根本不发生，因此添加质子酸不是一个好方法。作者猜想，如果将质子酸替换成Lewis酸，由于Lewis酸具备与嘧啶N原子配位的能力，可能因此改变底物5-三氟甲基-2,4-二氯嘧啶的反应性。

接下来，作者对18种常见的市售Lewis酸（ZnCl2, Zn(OAc)2, BF3 –Et2O,

Mg(OTf)2, MgCl2, MgBr2, CuCl, CuCl2, SnCl2, SnCl4, LiCl, LiOAc, AgNO3, AgOTf, TiCl4, EtAlCl2, DIP-Cl, BCl3）进行测试（THF, rt, 1.1equiv LA, 1.1equiv TEA, 1.0equiv 4-methylaniline），结果表明，Lewis酸使反应在区域选择性方面有所改善，其中锌盐（ZnCl2, Zn(OAc)2）效果最好，其次是AgOTf和CuCl2，效果最强的ZnCl2使2-位取代异构体与4-位取代异构体的比例达4:1（7:8），因此，进一步的研究将以ZnCl2作为添加剂。

进一步研究表明，除对甲苯胺外，其他一些苯胺，包括带给电子取代基（EDG）与吸电子取代基（EWG）的苯胺反应选择性均有所提高，实验结果如Table2所示，但同时也有一些苯胺并未表现出良好的选择性，比如在1.0当量ZnCl2作用下，对甲氧基苯胺参与的反应中，2-位取代产物与4-位取代产物的比例为8:1，而邻甲氧基苯胺的选择性却几乎无改变，产物几乎是等量的异构体，作者猜想，可能是邻甲氧基苯胺与ZnCl2产生螯合作用从而导致ZnCl2与嘧啶环的配位失效，当把ZnCl2的量增加至2.0当量时，2-位取代产物与4-位取代产物的比例提高至9:1，与上述结果相似的还有4-二甲氨基苯胺以及亲核性比芳胺更强的对甲基苄胺、环己胺以及哌啶。作者猜想，当使用2.0当量的ZnCl2时，原先与ZnCl2形成的络合物会分解（但作者并未作任何解释）。

在进一步研究反应机理之前，一直都认为是Lewis酸ZnCl2与嘧啶环的配位作用导致反应选择性发生改变，但后期研究却惊讶地发现并未检测到ZnCl2-嘧啶配合物。前期实验中，ZnCl2先与5-三氟甲基-2,4-二氯嘧啶混合后再加入胺，作者发现，当加入胺之后反应体系中出现沉淀，因此作者猜测可能是ZnCl2与胺形成配合物而不是嘧啶环。由于锌能与两个N原子配位，因此可以预料，当Lewis酸ZnCl2少于一当量时，可以看到这种选择性，事实证明的确如此，继续降低ZnCl2的用量至0.25当量时，获得最佳的选择性。

在上述优化的实验条件下，作者对其他2,4-二氯取代的嘧啶衍生物进行测试，但结果与5-三氟甲基-2,4-二氯嘧啶不尽相同，实验结果如Table 1所示。

总而言之，2,4(6)-二卤代嘧啶衍生物在发生芳香亲核取代反应时，反应位点并不总是发生在4/6-位，不同的化合物可能会产生不同的结果。

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从事凝聚态实验方面的研究，主要是铁电和多铁材料方面的研究，但是这已经不是热点了，我来简单列下我认为实验方面现在的研究热点吧。

1. 最近及其火热的trihalide perovskite. 不管是理论方面还是实验方面研究的论文发表数目都是指数级别的增长。最新一期的science上面，居然有两篇是实验方面的Halide perovskite, 即将发表的一期science上面也有一篇（从science express可以看到）。

Perovsikite来源于最原始的氧化物 ABO3 结构，而在新的trihalide perovskite中，人们用Cl, I, F, 代替了氧位。A位和B位也可以做很多替换，甚至A位可以加入具有极化性质的化学分子. 这一系列的材料最新的特征是可以作为solar cell的新体系的材料，很多科研都是着重于他们的光伏性质。但是他也是perovskite的一种，所以很多perovskite具有的性质都还没有研究清楚（相信很快会有成果出来）。

2. Graphene 就不用多说了吧超级大热点基本每一个有凝聚态实验的物理系都会有专门的组在做这个。当然具体的问题是什么我也不是很了解啦，可以参考wiki

Graphene

3. Topological insulator （拓扑绝缘体），这也是超级大热点，由这个引出的各种新现象比如说上了新闻联播的量子反常霍尔效应，由清华大学薛其坤教授领导的小组做出来的science级别的文章。当然这个拓扑绝缘体养活的不光是拓扑绝缘体本身，还有很多基于拓扑绝缘体的heterostructure，比如说Bi2Se3/NbSe2，以及各种interface的新现象。同样，有凝聚态实验的物理系，都会有专门负责用MBE生长topological insulator的组。

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